Paramètres de Milanković

Les paramètres de Milanković[alpha 1] sont les paramètres astronomiques qui engendrent des variations cycliques du climat terrestre, les cycles de Milanković. Ces paramètres sont l'excentricité, l'obliquité et la précession des équinoxes. Les paramètres de Milankovitch sont notamment utilisés dans le cadre de la théorie astronomique des paléoclimats.

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Milutin Milanković.

Joseph-Alphonse Adhémar (1797-1862), James Croll (1821–1890) et Milutin Milanković (1879-1958) sont les principaux scientifiques ayant avancé l'idée que ces trois paramètres interviennent dans les variations climatiques naturelles, en particulier sur Terre. Cette hypothèse n'a cependant reçu l'appui de données expérimentales cohérentes qu'en 1976, avec l'article fondamental de Jim Hays (en), John Imbrie et Nicholas Shackleton[1].

Ces changements climatiques naturels ont pour principale conséquence les périodes glaciaires et interglaciaires. Leur étude en termes de phénomènes périodiques est du ressort de la cyclostratigraphie.


Paramètres astronomiques de la Terre

La théorie des paramètres de Milanković s'applique à toutes les planètes. Le climat de Mars a notamment été étudié (cf. la théorie astronomique des paléoclimats). Pour la suite, nous étudierons le cas de la Terre en utilisant un système de coordonnées écliptiques dans lequel le soleil sera fixe. Lorsque cela n'est pas précisé, l'hémisphère nord est pris en exemple pour les étés ou les hivers.

Excentricité
Orbite à excentricité nulle.

L'orbite de la Terre est une ellipse dont le Soleil occupe l'un des foyers. L'excentricité de l'ellipse est une mesure de la différence entre cette ellipse et le cercle. La forme de l'orbite terrestre varie dans le temps entre une forme quasi circulaire (excentricité faible de 0,0034) et une forme plus elliptique (excentricité élevée de 0,058). La principale composante de cette variation fluctue sur une période de 413 000 ans. D'autres composants de cette variation fluctuent sur des périodes entre 95 000 et 125 000 ans. L'excentricité actuelle de l'orbite de la Terre est de 0,0167 et est décroissante.

Cette excentricité est due aux attractions gravitationnelles exercées entre la Terre et les autres planètes du Système solaire ainsi que le Soleil, selon les lois de Newton.

En 2015, une nouvelle étude[2] montre un autre facteur orbital de longue durée agissant sur l'excentricité de l'orbite terrestre tous les 9 millions d'années, probablement causé par l'interaction avec la planète Mars.

Obliquité
Variation de l'obliquité terrestre.

L'obliquité de la Terre, aussi appelée inclinaison terrestre, correspond à l'angle entre son axe de rotation et un axe perpendiculaire au plan de son orbite. L'obliquité terrestre varie entre 22,1° et 24,5° sur une période d'environ 41 000 ans. Quand l'obliquité croît, chaque hémisphère reçoit plus de radiation du soleil en été et moins en hiver. Cette obliquité est due elle aussi aux interactions gravitationnelles que la Terre subit de la part des planètes. Cette variation est faible par rapport à la variation de l'obliquité martienne qui varie entre 14,9° et 35,5°. Actuellement, la Terre possède une obliquité de 23,44°, ce qui correspond à une valeur moyenne entre les deux extrema. L'obliquité est dans une phase descendante et atteindra son minimum dans environ 10 000 ans. En prenant comme seul paramètre d'influence l'obliquité, les étés deviendraient moins chauds et les hivers moins froids.

Précession
La précession terrestre.

La Terre ne tourne pas sur elle-même comme un ballon parfaitement sphérique mais plutôt comme une toupie car elle est soumise à la précession. Cette précession provient du fait que les attractions du Soleil et de la Lune ne sont pas uniformes sur Terre à cause du bourrelet équatorial de la Terre. Ceci a deux conséquences différentes.

D'un côté, cela va influer sur l'indication du pôle Nord céleste (quelle étoile nous indique le nord). Reprenons pour cela notre toupie :

La toupie tourne dans un premier temps droite puis en perdant sa vitesse, sa tige va commencer à dessiner une sorte de cercle, ou de cône.

Cette tige sur Terre est en réalité l'axe nord-sud (passant par les deux pôles géographiques), cet axe dessine dans l'espace un cône par rapport à l'axe perpendiculaire au plan de l'écliptique. L'axe nord-sud effectue un tour complet en 25 760 ans. Aujourd'hui, α Ursæ Minoris, appelée étoile polaire, se situe à 0,8° du pôle Nord céleste.

D'un autre côté, cela influe sur ce que l'on appelle la précession des équinoxes (ce qui détermine les « changements de saisons » astronomiquement parlant).

Le point vernal rétrograde (se déplace vers l'ouest) de 50,38″ par an, mais la précession due aux autres planètes du Système solaire (donc hors Soleil et Lune) est de 0,12″ dans le sens inverse ; donc la précession se fait de 50,26″ par an vers l'ouest.

Nutation

La précession de l'axe de rotation terrestre dessine un cercle sur la sphère céleste. Cependant, ce cercle n'est pas parfait. L'attraction de la Lune, et dans une moindre mesure du Soleil, entraîne ce qu'on appelle la nutation. En effet, la Lune attire la Terre (nous pouvons d'ailleurs le voir avec le phénomène des marées) et cette attraction se remarque par une légère oscillation de l'axe de rotation terrestre. Cette oscillation parcourt un cycle complet en 18,6 années.

Le phénomène résulte du fait que l'influence de la Lune n'est pas toujours identique au cours du temps : elle est minimale lorsque la distance angulaire entre la Lune et l'équateur est la plus petite, elle est maximale lorsque la distance est la plus grande. Comme ce phénomène a peu d'influence sur le sujet traité ici, nous allons l'ignorer pour les conséquences des paramètres de Milanković.

Effets des paramètres
Les variations de tous les paramètres.

Effets de l'excentricité

L'excentricité est l'un des facteurs les plus importants dans les changements climatiques naturels puisque, lorsqu'elle est maximale, la Terre au périhélie peut recevoir du Soleil jusqu'à 26 % d'énergie de plus qu'à l'aphélie[alpha 2].

Effets de l'obliquité

L'obliquité possède une influence sur les saisons. En effet, si la Terre est dans une période de forte inclinaison par rapport au Soleil, alors les saisons seront très marquées (différences importantes entre été et hiver) et à l'inverse une faible inclinaison homogénéise les saisons (peu de différences entre l'été et l'hiver).

Cependant, il faut préciser que ces différences se sentent seulement lorsque l'on s'éloigne de l'équateur, où l'obliquité a peu d'influence (dans un climat équatorial on trouve deux périodes très chaudes et très humides aux équinoxes et deux périodes relativement froides et sèches aux solstices, dont l'intensité varie avec l'obliquité).

Effets de la précession

La précession a deux conséquences :

  • le pôle nord céleste se déplace avec le temps. En effet, sa position coïncide pratiquement avec celle de l'étoile α Ursæ Minoris mais dans 12 000 ans, il se situera à proximité de Véga ;
  • l'année tropique (cycle de répétition) est d'une vingtaine de minutes plus courte que l'année anomalistique (séparant deux passages de la terre à son périhélie).

Si le passage au périhélie se trouve coïncider avec les solstices, alors, dans l'hémisphère où se produit l'été, celui-ci sera chaud alors que dans l'autre hémisphère où se produit l'hiver, celui-ci sera doux. Six mois plus tard, au passage à l'aphélie, l'hiver sera rude dans le premier hémisphère et l'été sera frais dans le second. Ainsi, les saisons seront accentuées dans un hémisphère et atténuées dans l'autre.

Conséquences de ces trois facteurs
Les variations et la conséquence sur la température. 1 kyr = 1 kiloyear (= 1 000 ans).

Ces trois facteurs combinés ont donc différentes conséquences :

  • la variation d'énergie solaire reçue sous les hautes latitudes au cours de l'année ;
  • les différences de température entre les continents et les océans à cause de l'albédo ;
  • les variations sur les changements de saison (plus élevées aux hautes latitudes) ;
  • les différences de température entre les hémisphères dues à l'inclinaison ;
  • par contre, ces paramètres n'ont aucune influence sur la quantité totale annuelle d'énergie solaire reçue par la Terre[3].

Confirmations

À la suite du forage de Vostok (Antarctique), les chercheurs ont pu étudier le rapport 18O/ 16O (qui est noté δ18O) dans la glace extraite.

Ils se sont aperçus que la courbe représentant le rapport 18O/ 16O avait des similitudes avec la courbe issue des cycles de Milanković. Étant donné que la correspondance température / δ 18O est fermement établie, on peut alors penser que les paramètres de Milanković peuvent être la cause des changements climatiques naturels.

Depuis que ces variations orbitales sont établies, les scientifiques tentent de trouver un modèle capable de relier insolation à 65° et δ18O marqueur des variations passées du climat. Ce n'est pas évident à trouver car la fonte d'un inlandsis est mal cernée. Dans le passé récent (−1 Ma), la périodicité est de l'ordre de 100 000 ans avec environ 90 000 ans d'englacement et 10 000 de dégel ; mais au-delà, le forçage orbital est plutôt à une période de 41 000 ans (c'est la transition du Pléistocène moyen), correspondant à un forçage plus direct par l'obliquité. Les forages benthiques permettent de remonter jusqu'au Néogène, ce qui a permis de fonder la nouvelle échelle de temps géologique (ATNTS 2004).

Climatoscepticisme

Les cycles de Milanković sont parfois invoqués par les climatosceptiques pour prétendre que le réchauffement climatique n'est pas d'origine humaine. Cet argument ne résiste pas à l'analyse, notamment en raison de la rapidité du changement climatique actuel, beaucoup trop grande en comparaison de l'échelle de temps des cycles. De plus, si le réchauffement était dû aux cycles de Milanković, la stratosphère devrait aussi se réchauffer, ce qui est contredit par les relevés de sa température[4].

Notes et références

Notes
  1. On trouvera couramment l'orthographe « Milankovitch » dans la littérature.
  2. La distance Terre-Soleil varie, entre l'aphélie et le périhélie, dans un rapport de , où e désigne l'excentricité de l'orbite. L'énergie que reçoit la Terre du Soleil est inversement proportionnelle au carré de la distance les séparant. Par conséquent, quand la Terre se trouve au périhélie, l'énergie qu'elle reçoit se trouve multipliée par (par rapport à l'énergie reçue à l'aphélie), soit précisément 1,262 quand e atteint sa valeur maximale, 0,058.

Références
  1. (en) Jim Hays, John Imbrie et Nicholas Shackleton, « Variations in the Earth’s orbit: pacemaker of the ice ages. », Science, vol. 194,‎ , p. 1121–1132 (ISSN 0036-8075, résumé, lire en ligne [PDF]).
  2. (en) Mathieu Martinez et Guillaume Dera, « Orbital pacing of carbon fluxes by a ∼9-My eccentricity cycle during the Mesozoic », PNAS, vol. 112, no 41,‎ , p. 12604-12609 (ISSN 0027-8424, PMID 26417080, DOI 10.1073/pnas.1419946112).
  3. Site /osur.univ-rennes1.fr, page « La fossilisation des cycles astronomiques : un outil de datation des roches sédimentaires », consulté le .
  4. « Désintox. Non, les changements climatiques ne sont pas principalement dus à la modification de l'orbite terrestre », sur francetvinfo.fr, .

Voir aussi

Articles connexes

Liens externes et bibliographie
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